隨著國家對于工業(yè)化4.0目標的建立與推進，工業(yè)機器人在先進制造技術(shù)中越來越扮演著重要的角色，也有越來越多的企業(yè)加入到這個潮流的推進中，從串聯(lián)機器人、SCARA機器人、到DELTA、協(xié)作機器人、混聯(lián)機器人的陸續(xù)誕生，整個行業(yè)進入百花齊放的發(fā)展狀態(tài)。

　　天津大學(xué)機械工程學(xué)院機械系教授劉海濤項目團隊經(jīng)過20多年的研發(fā)，首創(chuàng)了一種由2自由度平面機構(gòu)、集成鉸鏈和6自由度支鏈構(gòu)成的混聯(lián)加工機器人新機構(gòu)，打破了國外的專利壁壘，在航天航空、軌道交通、船舶制造等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。日前，“高性能混聯(lián)加工機器人”技術(shù)成果獲得天津市技術(shù)發(fā)明一等獎。該項目還先后獲國家發(fā)明專利33件、發(fā)表學(xué)術(shù)論文59篇。

　　目前，劉海濤項目組開發(fā)的以混聯(lián)加工機器人為核心的全向移動銑削、光學(xué)元件超精密拋光、空間型線攪拌摩擦焊接、汽車模具拋磨等系列新型工藝裝備，率先實現(xiàn)了在航天航空、新能源、汽車制造等領(lǐng)域的工程應(yīng)用，解決了一批我國重大工程中的制造難題。

　　1、關(guān)節(jié)機器人的優(yōu)缺點

　　關(guān)節(jié)機器人——用于機械加工機床上下料的關(guān)節(jié)機器人采用的軸數(shù)一般為6軸，重復(fù)定位精度為±0.06mm，常用的負載重量在10-50kg。機床上下料機器人一般分為一對一、一對二(機床面對面擺放)、一對三(機床擺成品字形)，如果想要1臺關(guān)節(jié)機器人對多臺機床上下料，需要加上地面軌道，可實現(xiàn)1臺關(guān)節(jié)機器人對多臺機床自動上下料。

　　關(guān)節(jié)機器人的優(yōu)點：

　　關(guān)節(jié)機器人最大的優(yōu)點就是靈活性強，不受機床結(jié)構(gòu)的限制，能適用很多機床?？蓱?yīng)用的范圍廣泛，除了用在機床上下料，關(guān)節(jié)機器人還可應(yīng)用于打磨、拋光、焊接、裝配、搬運碼垛等領(lǐng)域。

　　關(guān)節(jié)機器人的缺點：

　　相對于桁架機械手而言，關(guān)節(jié)機器人占用的場地空間較大，它的臂展(工作范圍)有限，一臺機器想要工作范圍加大的話必須加裝它的行走軸，所以關(guān)節(jié)機器人的價格較高。

　　2、高性能制造急需的核心裝備

　　如今，在汽車、電子、物流等各個工業(yè)領(lǐng)域，我們經(jīng)常能看到多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，這些都是工業(yè)機器人。

　　“串聯(lián)機器人出現(xiàn)時間早，具有運動靈活、工作空間大等優(yōu)點。而并聯(lián)機器人與串聯(lián)機器人相比，具有承載能力強、剛度大、精度高、動態(tài)特性優(yōu)等特點。”劉海濤用了個比喻來解釋，串聯(lián)機器人就像一個手臂，由各個關(guān)節(jié)串聯(lián)在一起。而并聯(lián)機器人是一個閉環(huán)結(jié)構(gòu)，就像把兩只手握在一起，由兩條手臂共同完成一件事。

　　串聯(lián)和并聯(lián)機器人雖然各有優(yōu)勢，但也都有其劣勢?！按?lián)機器人是‘孤掌難鳴’，一條手臂負載能力有限，其剛度和精度具有局限性。而并聯(lián)機器人由于是兩只手握在一起，運動靈活性下降，工作范圍變小?！眲⒑榻B，混聯(lián)機器人在一定的操作空間內(nèi)擁有靈活多角度的操作，又能保證高速高精度的特性。

　　混聯(lián)機器人目前已成為機器人加工技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。同時，由混聯(lián)機器人構(gòu)成的機器人化加工裝備(以下簡稱混聯(lián)加工機器人)，也是我國航天航空等重點領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高性能制造急需的核心裝備。

　　3、混聯(lián)加工機器人研發(fā)生產(chǎn)難度大

　　然而混聯(lián)加工機器人并不是串聯(lián)和并聯(lián)機器人的1+1=2，其研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化難度非常大。

　　首先，最大的難點就是混聯(lián)加工機器人的構(gòu)型，也就是骨架的設(shè)計，包括鉸鏈類型、數(shù)量及其空間布置形式等?！澳軐崿F(xiàn)同樣運動的構(gòu)型浩如煙海，就好比人和魚的骨架雖然不同，但都能在水里游?！眲⒑f，這么多構(gòu)型最終只有極少數(shù)具有工程實用價值，結(jié)構(gòu)是否簡單、受力是否合理、可否低成本制造以及是否便于靈活布局等都是技術(shù)難點。

　　此外，作為一個閉環(huán)結(jié)構(gòu)，由于混聯(lián)加工機器人是多軸聯(lián)動的，因此如何實現(xiàn)高精度運動也是一個難點。

　　“構(gòu)型雖然有理論方法，但是設(shè)計出來的骨架大多數(shù)都不適用，沒有規(guī)律可循，設(shè)計需要一定的靈感?！眲⒑f，“靈感其實也是來源于工程的實踐中?！?/p>

　　項目組通過四代工程樣機的迭代開發(fā)，最終首創(chuàng)了一種由2自由度平面機構(gòu)、集成鉸鏈和6自由度支鏈構(gòu)成的混聯(lián)加工機器人新機構(gòu)。同時，通過將機器人學(xué)、機床動力學(xué)、數(shù)字樣機技術(shù)有機結(jié)合，提出了主參數(shù)關(guān)聯(lián)設(shè)計和層次化設(shè)計策略，發(fā)明了尺度—結(jié)構(gòu)—驅(qū)動器集成設(shè)計新方法，突破了混聯(lián)加工機器人動態(tài)設(shè)計核心技術(shù)，保證了機器人兼具優(yōu)良的運動靈活性、靜剛度和動態(tài)特性。

　　其次，產(chǎn)品不可能都處于理想狀態(tài)，在零部件的加工和裝配過程中，都會產(chǎn)生誤差影響到精度。因此控制和補償技術(shù)也十分重要，項目組可以通過這項技術(shù)調(diào)控裝備的精度，從而保證機器人末端的高精度運作。

　　為了提高機器人的靜動態(tài)精度，項目組將機器人學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、大數(shù)據(jù)分析有機結(jié)合，突破了高速高精度五軸聯(lián)動控制、位姿誤差綜合補償、平滑與運動平穩(wěn)軌跡規(guī)劃、高效精準視覺定位等一系列核心關(guān)鍵技術(shù)。

　　最后，從應(yīng)用的角度來看，混聯(lián)加工機器人會有很多應(yīng)用場景。不同的工藝有不同的生產(chǎn)需求，這都需要混聯(lián)加工機器人和裝備相適應(yīng)。劉海濤舉例說，比如銑削加工就有很多工藝參數(shù)，包括使用什么樣的刀具，用多快的進給速度進行加工，刀具的轉(zhuǎn)速是多少等，而打磨、焊接、拋光等不同的應(yīng)用也都有各自的工藝要求。

　　“只有把理論和最后應(yīng)用需要形成一套完整的體系才能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?！眲⒑f。

　　項目組不僅解決了混聯(lián)加工機器人機構(gòu)創(chuàng)新、設(shè)計理論、精度調(diào)控中的難題，還突破了加工工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，打通了從自主設(shè)計到工程應(yīng)用的全鏈條。混聯(lián)加工機器人可搭建各類適用于銑削、制孔、焊接、拋磨、裝配等作業(yè)的單機和多機制造系統(tǒng)。

　　經(jīng)第三方權(quán)威機構(gòu)檢測，項目組研發(fā)生產(chǎn)的混聯(lián)加工機器人性能指標與國外同類產(chǎn)品技術(shù)水平相當(dāng)，實現(xiàn)了從追趕到并跑的技術(shù)跨越。

　　結(jié)語：

　　據(jù)介紹，目前，世界范圍內(nèi)僅有少數(shù)國家企業(yè)能夠生產(chǎn)混聯(lián)加工機器人商業(yè)化產(chǎn)品，通過專利壁壘長期獨霸國際市場。劉海濤團隊項目首創(chuàng)了一種由2自由度平面機構(gòu)、集成鉸鏈和6自由度支鏈構(gòu)成的混聯(lián)加工機器人新機構(gòu)，打破了國外的專利壁壘，可搭建各類適用于銑削、制孔、焊接、拋磨、裝配等作業(yè)的單機和多機制造系統(tǒng)，在航天航空、軌道交通、船舶制造等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　“面向我國高端制造領(lǐng)域?qū)C器人化加工裝備的重大需求，課題組將持續(xù)深入地開展機器人-測控-工藝系統(tǒng)集成技術(shù)研究，努力拓展所研發(fā)的混聯(lián)加工機器人的應(yīng)用領(lǐng)域，為提升我國高性能加工機器人的技術(shù)水平、推進制造業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展提供技術(shù)支撐?！表椖控撠?zé)人劉海濤說。